设备驱动与文件系统：03 生磁盘的使用
磁盘驱动学习开篇
从这一讲开始，我们进入设备驱动的学习，具体聚焦于设备管理的最后一个部分——磁盘管理。磁盘管理实践也是操作系统课程的最后一块内容。磁盘的驱动器本质上仍是一种设备驱动，其原理不变，核心依旧是文件视图、磁盘的中断处理这三部分内容。不过，磁盘管理相较于之前讲的显示器和键盘管理要复杂得多，其抽象层次更为丰富。
弄明白磁盘驱动处理，整个操作系统课程的学习便全部结束。掌握磁盘驱动原理后，面对如网卡、打印机等同样复杂的设备驱动，我们也能从容应对。接下来，我们将分步骤、分层次地学习磁盘在操作系统中是如何被驱动和处理的。
磁盘工作原理初探
本次学习从生磁盘及其使用入手，这和之前的学习思路一致。
我们先了解磁盘的基本工作原理：通过向磁盘控制器发送out指令，控制器控制磁盘进行读写操作；磁盘工作完成后，向CPU发出中断信号，以便进行后续处理。整个过程的核心就是out指令、中断处理，以及如何逐步抽象形成文件视图，而今天的重点是让磁盘工作起来。
磁盘由盘片、磁道、磁头组成。读写磁盘的基本单位是扇区，每个扇区通常为512字节。在实际读写过程中，首先移动磁头到指定磁道，接着磁盘旋转，当目标扇区转到磁头下方时，利用磁生电（读操作）或电生磁（写操作）原理，实现磁盘与内存缓冲区的数据交互。概括来说，磁盘读写主要包括移动磁头、旋转磁盘、数据传输这三个步骤，即寻道、旋转加上数据传输 。
磁盘使用的第一层抽象：从扇区到盘块
要使用磁盘，需向磁盘控制器传递柱面、磁头、扇区、缓存位置等参数。柱面由多个盘片上相同位置的磁道组成，磁头决定在哪个盘面上读写，扇区确定具体的读写位置。通过传递这些参数，结合DMA（直接内存访问）技术，就能实现磁盘与内存的数据交换，而实际操作中，最终是通过out指令将相关参数写入磁盘控制器的端口来完成读写操作。
不过，直接使用这种方式较为复杂，用户需要了解诸多细节。为了简化操作并提高效率，我们进行第一层抽象，引入盘块号的概念。用户程序只需发送盘块号，操作系统的磁盘驱动负责将盘块号转换为柱面、磁头和扇区号（即c、h、s）。
这种抽象具有重要意义。一方面，用户无需再关注复杂的三维地址（柱面、磁头、扇区），只需处理简单的一维盘块号，使用起来更加便捷；另一方面，操作系统通过合理规划盘块号与实际物理地址的映射关系，提高了磁盘读写效率。例如，我们通常会连续访问盘块，为了加快连续盘块的读写速度，操作系统会将相邻盘块号对应的盘块尽量放置在同一磁道上，减少寻道时间。
在实现盘块号到c、h、s的转换时，我们可以根据磁盘的物理参数（如每个柱面的磁头数、每个磁头的扇区数），通过数学运算得出。具体来说，如果已知盘块号block，可以通过block对扇区数sector取余得到扇区号s，再结合其他运算得到柱面号c和磁头号h。
此外，操作系统还将读写单位从扇区改为盘块，一个盘块由连续的几个扇区组成。这样做虽然会造成一定的空间浪费，但由于磁盘读写中寻道时间占比较大，增大读写单位可以减少寻道次数，从而显著提高读写速度，这是一种以空间换时间的策略。至此，上层应用程序可以通过盘块号访问磁盘，隐藏了底层细节，提升了使用效率 。
磁盘使用的第二层抽象：多进程下的磁盘调度
在多进程环境下，多个进程都需要使用磁盘。如果只有一个进程使用磁盘，它可以直接用盘块号计算c、h、s，通过out指令驱动磁盘控制器；但多个进程同时使用时，就需要引入请求队列。多个进程将各自的盘块访问请求放入队列，磁盘驱动在磁盘中断时从队列中取出请求，进行c、h、s的换算和out指令操作 。
这就涉及到磁盘调度问题，即如何合理安排请求队列中的磁盘访问顺序，以提高磁盘工作效率。磁盘读写中，寻道时间是最主要的耗时因素，因此调度算法的目标就是尽量缩短寻道时间。
常见的调度算法从“先来先服务（FCFS）”开始，即按照磁盘请求的先后顺序进行调度。但这种算法可能导致磁头频繁地长途移动，效率较低。例如，磁头起始位置为53，请求序列为98、183、37等，磁头会在不同柱面间来回移动，总移动距离较大。
为了改进，出现了“短寻道优先（SSTF）”算法，它从当前磁头位置出发，优先处理离当前位置最近的请求。这种算法能减少磁头移动距离，但会出现问题：由于磁盘请求通常集中在中间柱面，磁头会在中间区域频繁移动，导致远处的请求长时间得不到处理，产生饥饿现象。
为解决上述问题，又提出了“扫描调度（SCAN）”算法，也叫电梯算法。其基本思想是磁头像电梯一样，先向一个方向移动，处理该方向上的所有请求，到达一端后再反向移动，处理另一方向的请求。这样既保证了公平性，又避免了磁头频繁回退，减少了总移动距离。
如果进一步优化，让磁头在到达一端后快速复位，再向另一方向移动，就形成了更公平的调度方式 。
在实际代码实现中，多个进程访问磁盘时，先根据用户发来的盘块号换算成扇区号，将请求加入请求队列。加入队列时，使用临界区保护确保共享结构的操作安全，并按照电梯算法的规则，根据柱面号对请求进行排序，形成有序队列。磁盘驱动在磁盘中断时，从队列中取出请求，进行c、h、s的计算，通过out指令发送给磁盘控制器，完成读写操作。操作完成后，再次中断处理，唤醒等待的进程，使其继续工作。
总结与展望
到这里，我们完整地讲述了生磁盘的使用过程，从磁盘的直接操作逐步抽象，实现了多进程高效、方便地使用磁盘，过程中还涉及到进程间的合作、临界区保护、同步等操作系统的重要概念。不过，这里还留下一个伏笔：如何根据文件得到盘块号？后续将把这部分内容与文件系统相结合，呈现出操作系统真正读写文件、管理磁盘的完整故事。